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分子影像设备PETCT成像系统的技术进展

  医学影像在临床工作中的作用举足轻重,医学影像学是以人体解剖结构和病理特性改变为基础进行研究的。然而,对病变分子水平的研究却无能为力。随着医学影像技术的迅猛发展,医学影像学已经从以解剖结构医学影像发展到解剖结构基础上功能、代谢影像,使人们对疾病认识有了更进一步的深入。在解剖结构、脏器功能和代谢影像基础上又发展起来了分子影像学。由此,以正电子计算机发射断层扫描(positronemissiontomography,PET)的分子影像设备得到了快速发展,并且已广泛应用于临床研究。

  自2001年5月首台商用PET/CT安装以来,这项技术出人意料地被影像医学界迅速接受。PET/CT是由PET和CT的两部分功能和解剖影像设备共同组成。其中,PET/CT成像系统中的PET探测晶体、光电倍增管和图像重建算法,决定了PET的图像质量。

  PET/CT晶体的作用是将湮灭辐射产生的γ光子转换为可见光,再通过光电倍增管转换为电信号,所以,晶体的选择对PET/CT的系统成像性能至关重要。自1956年Anger发现了γ射线照射NaI(TI)晶体会产生闪烁效应后,晶体的进步从铊激活的碘化钠(NaI)向具有更高密度和更大光输出量的闪烁体锗酸铋晶体(BGO)转变,到九十年代后期,硅酸镥(LSO)和硅酸钆(GSO)闪烁晶体的使用,使得PET/CT的临床应用性能大大提升了。一般来说,评价闪烁晶体的主要参数有密度、衰减距离、衰减时间、能量分辨率和辐射性等。

  二十世纪五十年代使用的是以碘化钠(NaI)晶体为主的探测器,γ射线照射至NaI晶体,可以有效地转化为可见光,得到比较理想的图像。但是由于碘化钠晶体密度低(3.7g/ml),衰减时间长(230ns),导致了随机符合率的增加和能量阻止的减低。然而,锗酸铋晶体密度大(约7.1g/ml),其稳定性好,探测效率高,灵敏性高,但是其衰变时间长(约300ns),光产量仅为碘化钠晶体的15%,所以时间分辨率和能量分辨率都不理想。随着晶体技术的发展,新型晶体LSO、硅酸钇镥(LYSO)和GSO在临床上逐渐得到广泛应用。LSO不仅密度和原子序数都较高,而且对γ光子也有较高的探测效率,且衰变时间短(40ns),光产量也高(碘化钠的75%),能实现快速图像采集,因此,可以减少图像的运动伪影产生,同时,符合TOF-PET的要求。

  研究表明,对掺有金属元素与未掺有金属元素相比,闪烁性能前者比后者更佳。对于PET/CT的临床显像而言,重要的是使用更快的闪烁晶体探测器以缩小符合探测时间窗,进而减少随机符合率。BGO、LSO和GSO晶体物理性能稳定,且不易潮解,随着技术的进步,探测晶体模块可以被加工成体积更小,且光输能力更高,因此,定位精度也大大提高了,进而提高了PET图像空间分辨率。新闪烁晶体探测器的主要优势是快速扫描,LSOPET/CT全身采集时间仅需小于15min,而传统的BGOPET/CT全身采集时间约需30min,大大提高了PET/CT的高流通量。另外,快速采集将大大减轻运动伪影的出现,明显提高图像质量。

  光电转换器是将闪烁晶体探测器产生的可见光信号转换并放大成电信号,是PET/CT成像性能的重要部件。光电转换器有光电倍增管(photomultipliertube,PMT)和硅光电倍增管(siliconphotomultiplier,SiPM)。近年来,传统PMT逐渐开始被淘汰。一方面,是由于PMT体积大,供电压较高,受磁场影响大;另一方面,渡越时间和渡越时间分散决定PMT的性能,PMT的时间分辨率的长短由前者决定,然而,后者决定PMT时间分辨率的一致性。

  为了满足现行飞行技术TOF-PET的需求,要求渡越时间较短,渡越时间分散小,传统的PMT已无法满足此要求。现在临床上出现的位置灵敏性光电倍增管(sensitivityphotomultipliertube,PSPMT)。此光电倍增管可以非常灵敏的探测光子位置,其主要优点具有高灵敏度和较高分辨率,并且尺寸较小。另外,还有多通道PMT和微通道板光电倍增管(microchannelplatephotomultiplier,MCPPMT)。它们具有体积更小、重量更轻、噪声更低、分辨率更高和响应时间更快的特性等。

  近年来,将快速PMT(FastPMT)与LYSO耦合,PMT性能取得了突破性的进展,即应用于飞行时间(timeofflight,TOF)采集技术,使得PET/CT的时间分辨率和位置分辨率得到大大的提高。

  另一方面,结构紧凑,量子效率高及不受磁场影响的固态半导体光电探测器的出现,实现真正的高光电探测效率(photoelectricdetectionefficiency,PDE)、低噪声及超高时间分辨率等优点。SiPM探测器的出现,其结构紧凑小巧,受磁场影响小,较低的制造成本,所以SiPM应用于PET光电探测器的未来发展方向。SiPM作为PET/CT的光电探测器,它能直接完成数字信号的转换,大大减少了光子信号损失,降低了噪声,使PET/CT具有更高的采集效率,更高的探测灵敏度,较高的性能潜力,能获得高质量的PET/CT图像。

  PET/CT常见的图像重建方法主要有解析法和迭代法,其中解析法常用的有滤波反投影法(filteredback-projection,FBP);迭代法最常用的有序子集最大期望值法(orderedsubsetexpectation maximization,OSEM)。滤波反投影法是使用了傅里叶切片定理,即利用逆Radon变换对研究对象进行滤波反投影图形重建。首先将原始数据通过傅里叶变换转换成频域函数接着再进行斜坡滤波,再经反向投影后进行图像重建,为了提高图像质量,需要进行二次滤波,将噪声伪影进一步的清除,最后再进行反傅里叶变换重建出高质量的影像图像。

  FBP抑制噪声主要是依据截止频率和陡度因子的不同进行的,从而获得高空间分辨率的图像。由于,图像的质量和空间分辨率受截止频率影响较大,而受陡度因子的影响较小。因此,截止频率低时,图像的细节和噪声抑制的较多,故重建的图像较平滑,均匀性也比较理想,但图像的分辨率欠佳;截止频率高时,重建出的图像细节较为丰富,分辨率高,但图像往往有较大的噪声。因此,其抗噪声能力差,使得细小病变难以得到完全精准的显示,限制了FBP的广泛应用。

  Zeng等报道,考虑到非均匀衰减因素的稳定FBP的新算法,那么其抗噪声性能就能得到大大提升。然而,FBP由于计算量及存储空间小,重建速度快,自CT应用于临床以来,在CT图像的重建中发挥了巨大的作用。由于PET/CT中PET数据采集的信息量不如CT,因此,无法满足PET图像质量的要求,而不采用FBP算法。

  迭代法重建技术是一种较为理想的重建技术,由于其在重建过程中加入多种条件的约束,如图像的物体几何形状、图像平滑性及对空间分辨率的不均匀性进行校正等,再将其理论投影值同实际测量投影值进行完全比对,最后获得最理想的解析图像的方法,因此迭代法重建的运算数据量庞大,计算速度慢是迭代法重建的最大缺点,难以满足图像重建的需求。

  OSEM是迭代法中较快的算法之一,并且克服了FBP算法时图像噪声与空间分辨率密切相关的缺陷,由于迭代法重建数据量超大,故需要大容量的计算机,需要相对较长的重建时间,限制了其临床广泛应用。

  近年来,由于计算机技术的重大进展,迭代法重建技术也随之取得快速进步。迭代法重建技术在临床开始广为使用,能在不降低图像锐利度的情况下消除噪声,使重建图像的时间和图像的质量得到较为合理的兼顾,对于低信息量PET图像重建不失为一种理想的图像重建法。

  目前,随着OSEM新重建算法的不断涌现,OSEM已经可以实际应用于动态三维PET数据集的图像重建,为OSEM算法的进步及广泛应用奠定基础。与FBP相比较,OSEM在低信息量的条件下,可以显著提高图像质量。目前PET图像重建及多层CT低剂量图像重建均采用OSEM算法。

  总之,PET/CT是目前分子影像设备中技术最为成熟的,已在临床上得到普遍的应用。随着影像技术的不断发展,PET图像的空间分辨率大大提高,目前已达到1.6mm,以及采用运动冻结技术消除呼吸运动影响后,明显提高了对病灶显示的精确性,大大提升了诊断的准确性。分子影像设备PET/CT的不断发展和进步,能够越来越满足临床应用的需求。PET/CT低辐射剂量、高灵敏度、全景动态扫描技术和超高速图像重建技术的诞生,有助于当今医学影像大数据时代和医学影像组学的迅猛发展。

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